(57)【要約】【課題】バイポーラ型の出力信号を得るとともに、軸の偏心による出力信号への影響を小さくできるトルクセンサを提案する。【解決手段】共通軸線Ｌ−Ｌ上に第１回転軸１と第２回転軸２を配置し、これらの第１回転軸１と第２回転軸２とをトーションバー５により結合し、第１回転軸１と第２回転軸２との間に与えられる捩りトルクを検出するトルクセンサであって、共通軸線Ｌ−Ｌを中心とした径方向に磁場を発生する磁場発生手段６と、磁場発生手段６から共通軸線Ｌ−Ｌに沿って流れる検出磁束の方向と大きさを第１回転軸１と第２回転軸２との相対回転に応じて変化させる磁場変化手段３０と、検出磁束を検出する磁気センサ１５とを備え、磁気センサ１５が、検出磁束の方向に応じて極性が変化し、また検出磁束の大きさに応じて大きさが変化する出力信号を発生することを特徴とする．【選択図】  図１
2005265539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通軸線上に第１回転軸と第２回転軸を配置し、これらの第１回転軸と第２回転軸とをトーションバーにより結合し、前記第１回転軸と第２回転軸との間に与えられる捩りトルクを検出するトルクセンサであって、前記共通軸線を中心とした径方向に磁場を発生する磁場発生手段と、前記磁場発生手段から前記共通軸線に沿って流れる検出磁束の方向と大きさを前記第１回転軸と第２回転軸との相対回転に応じて変化させる磁場変化手段と、前記検出磁束を検出する磁気センサとを備え、前記磁気センサが、前記検出磁束の方向に応じて極性が変化し、また前記検出磁束の大きさに応じて大きさが変化する出力信号を発生することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のトルクセンサであって、前記磁場発生手段として、前記共通軸線の周りに少なくとも１つのリング状の永久磁石を配置し、前記共通軸線を中心とした径方向に前記永久磁石を着磁したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のトルクセンサであって、前記磁場発生手段として、複数個の永久磁石板を前記共通軸線の周りに配置し、これらの永久磁石板により前記磁場を発生することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
請求項１記載のトルクセンサであって、前記第２回転軸とともに回転する外周筒を備え、前記磁場変化手段が複数の磁場変化手段を有し、これらの複数の磁場変化手段が前記外周筒の内周に前記共通軸線に沿って配置されたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項５】
請求項４記載のトルクセンサであって、前記外周筒が前記共通軸線に沿って配置された第１外周筒と第２外周筒とを有し、これらの第１外周筒と第２外周筒が、それらの間に前記検出磁束を流すように構成され、この検出磁束が通るように前記磁気センサが配置されたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
請求項５記載のトルクセンサであって、前記第１外周筒の内周に第１磁場変化手段と第３磁場変化手段が配置され、また前記第２外周筒の内周に第２磁場変化手段と第４磁場変化手段が配置されたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項７】
請求項６記載のトルクセンサであって、前記第１、第２、第３、第４磁場変化手段のそれぞれが、前記第１回転軸とともに回転する内周磁極と、この内周磁極に対向する外周磁極とを有し、前記第１、第３磁場変化手段の各外周磁極が前記第１外周筒の内周面に、また前記第２、第４磁場変化手段の各外周磁極が前記第２外周筒の内周面にそれぞれ配置されたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項８】
請求項６記載のトルクセンサであって、前記第１外周筒と第２外周筒の内周にそれぞれ前記共通軸線に対して所定角度傾斜した方向に延長される第１傾斜磁極板と第２傾斜磁極板が配置され、前記第１傾斜磁極板を用いて前記第１磁場変化手段と第３磁場変化手段が構成され、前記第２傾斜磁極板を用いて前記第２磁場変化手段と第４磁場変化手段が構成されることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項９】
請求項５記載のトルクセンサであって、前記磁気センサは前記第１外周筒および第２外周筒が回転しても動かないように固定されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１０】
請求項１記載のトルクセンサであって、第１、第２の磁気センサを備え、これらの磁気センサのそれぞれが前記磁場発生手段から前記共通軸線に沿って流れる検出磁束を検出し、その検出磁束の方向に応じて極性が変化し、またその検出磁束の大きさに応じて大きさが変化する出力信号を発生することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１１】
請求項１記載のトルクセンサであって、前記磁気センサの出力信号に基づき、前記捩りトルクに加え、前記第２回転軸の回転角度をも検出することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１２】
請求項１記載のトルクセンサであって、第１、第２の磁気センサを備え、各磁気センサのそれぞれが前記磁場発生手段から前記共通軸線に沿って流れる検出磁束を検出するときに、前記第１の磁気センサが前記第２回転軸の回転に伴ない周期的に変化する第１信号成分を含み、前記第２の磁気センサが前記第２回転軸の回転に伴ない前記第１信号成分と逆相の第２信号成分を含むことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１３】
請求項１記載のトルクセンサであって、さらに前記第２回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段を備えたことを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば自動車のステアリングトルクを検出するのに使用されるトルクセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のトルクセンサとして、例えば特開２００２−３１０８１９号公報に開示されたトルクセンサが知られている。このトルクセンサは、軸方向に対向する２つのリングを有し、これらの２つのリングの対向する周面にそれぞれ凹凸を形成し、これらの凹凸が互いに対向するように構成したものである。各リングの間には、磁気回路が形成され、この磁気回路を通る磁束を検出するホール素子が配置される。
【０００３】
与えられる捩りトルクの大きさに応じて２つのリングが相対的に回転すると、各リングの凹凸面の対向状態が変化し、それらの間の磁気抵抗が変化して、ホール素子の出力が変化するので、このホール素子の出力から与えられたトルクの大きさを検出できる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１０８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のトルクセンサでは、製造誤差によって２つのリングの中心がずれて傾いた場合には、磁気抵抗が設計時と異なるため磁束量が変化し、センサ出力値が変化するという問題があった。また従来のトルクセンサは、ホール素子を通過する磁束の向きが常に一定であるため、センサ出力の極性が一定のユニポーラ型となり、製造誤差によって、トルクが働かない状態でのセンサ出力値のばらつき、校正が困難という問題があった。
【０００６】
この発明は、このような課題を改善することのできる改良されたトルクセンサを提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によるトルクセンサは、共通軸線上に第１回転軸と第２回転軸を配置し、これらの第１回転軸と第２回転軸とをトーションバーにより結合し、前記第１回転軸と第２回転軸との間に与えられる捩りトルクを検出するトルクセンサであって、前記共通軸線を中心とした径方向に磁場を発生する磁場発生手段と、前記磁場発生手段から前記共通軸線に沿って流れる検出磁束の方向と大きさを前記第１回転軸と第２回転軸との相対回転に応じて変化させる磁場変化手段と、前記検出磁束を検出する磁気センサとを備え、前記磁気センサが、前記検出磁束の方向に応じて極性が変化し、また前記検出磁束の大きさに応じて大きさが変化する出力信号を発生することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によるトルクセンサは、共通軸線の径方向に磁場を発生する磁場発生手段を用い、捩りトルクによる第１回転軸と第２回転軸の相対回転に応じて、共通軸線に沿って流れる検出磁束の方向と大きさを磁場変化手段により変化させ、その検出磁束を磁気センサで検出することを特徴としている。このような構成にすることによって、バイポーラ出力のトルクセンサを得ることができる。また製造誤差等によって第１回転軸と第２回転軸が平行にずれたり、傾いたりした場合でも、センサ出力に対する影響を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明によるトルクセンサのいくつかの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
実施の形態1.
図１はこの発明の実施の形態１によるトルクセンサを示し、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は断面図である。図１（ａ）は実施の形態１のトルクセンサを軸線方向に見た正面図であるが、その一部の部品は図面を見やすくするために省略されている。図１（ｂ）は、実施の形態１のトルクセンサを、軸線を含む平面で切断した断面図である。図２は実施の形態１によるトルクセンサの側面図である。
【００１１】
この実施の形態１のトルクセンサは、第１回転軸１と、第２回転軸２と、内周筒３と、ベース板４とトーションバー５と、磁場発生手段６と、外周筒１２と、磁場変化手段３０と、磁気センサ１５とを備えている。
【００１２】
この発明のトルクセンサは第１回転軸１と第２回転軸２との間に働く捩りトルクを検出するセンサである。第１、第２回転軸１、２は、互いに共通な共通軸線Ｌ−Ｌ上に回転可能に配置される。第１、第２回転軸１、２の間には、内周筒３、ベース板４、トーションバー５、磁場発生手段６、外周筒１２、および磁場変化手段３０が配置される。内周筒３は、共通軸線Ｌ−Ｌを中心としてその周りに配置された円筒体であり、鉄材などの磁性材料で構成される。この内周筒３は、その一端が第１回転軸１に結合され、第１回転軸１とともに共通軸線Ｌ−Ｌの周りを回転する。
【００１３】
ベース板４は第２回転軸２一端に結合された円板であり、第２回転軸２とともに共通軸線Ｌ−Ｌの周りを回転する。トーションバー５は、内周筒３の内部に配置され、共通軸線Ｌ−Ｌに沿って延長される。このトーションバー５の一端は内周筒３に結合され、またその他端はベース板４の中心部に結合され、その結果、トーションバー５が内周筒３とベース板４とを連結する。内周筒３の捩り剛性はトーションバー5の捩り剛性と比べて十分大きいので、第１回転軸１と第２回転軸２との間に捩りトルクを与えると、そのトルクの大きさに応じてトーションバー５が共通軸線Ｌ−Ｌの周りで捩られ、第１回転軸１と第２回転軸２とが、共通軸線Ｌ−Ｌの周りで相対的に回転する。
【００１４】
外周筒１２は、内周筒３を取り囲むように配置された円筒体である。この外周筒１２は、共通軸線Ｌ−Ｌを中心としてその周りに配置され、一端がベース板４に結合され、このベース板４とともに共通軸線Ｌ−Ｌの周りを回転する。この外周筒１２は、第１外周筒１２ａと、第２外周筒１２ｂと、これらの外周筒１２ａ、１２ｂを互いに連結する連結体１３とにより構成される。外周筒１２ａ、１２ｂは鉄材などの磁性材料で構成され、連結体１３はアルミニウムなどの非磁性材料で構成される。連結体１３はほぼ円筒状に作られるが、図２に示すように、円筒状の一部分の空隙部を有し、この空隙部には外周筒１２ａ、１２ｂの突出部１２ｃ、１２ｄが互いに共通軸線Ｌ−Ｌの方向に対向していて、これらの突出部１２ｃ、１２ｄの間に、磁気センサ１５が配置される。この実施の形態１では、磁気センサ１５は外周筒１２とともに回転するように、設置される。
【００１５】
内周筒３と外周筒１２との間に、磁場発生手段６と、磁場変化手段３０とが配置される。磁場発生手段６は、この実施の形態１では、リング状の永久磁石であり、内周筒３の外周の中央部に配置される。この磁場発生手段６は内周筒３の外周面に嵌め込まれて内周筒３に固定され、内周筒３とともに回転する。磁場発生手段６は、共通軸線Ｌ−Ｌの半径方向に着磁されており、例えばその内周側がＳ極、外周側がＮ極となっている。
【００１６】
磁場発生手段６の外周には、中間筒８が配置される。この中間筒８は共通軸線Ｌ−Ｌを中心としてその周りに配置された円筒体であり、鉄材などの磁性材料で構成され、磁場発生手段６の外周に嵌め込まれて、内周筒３とともに回転する。磁場発生手段６の上下両側には、非磁性のスペーサリング７、７が配置される。このスペーサリング７、７は、例えばアルミニウムなどの非磁性材で構成され、磁場発生手段６からの磁束を効率的に半径方向に集中させ、内周筒３および中間筒８に与える。この非磁性のスペーサリング７、７は、内周筒３と中間筒８との間に嵌め込まれ、内周筒３とともに共通軸線Ｌ−Ｌの周りを回転する。
【００１７】
内周筒３と外周筒１２との間には、磁場発生手段６、中間筒８、スペーサリング７、７とともに、磁場変化手段３０が配置される。この磁場変化手段３０は、第１磁場変化手段３１と、第２磁場変化手段３２と、第３磁場変化手段３３と、第４磁場変化手段３４とを含む。これらの各磁場変化手段３１から３４は、共通軸線Ｌ−Ｌに沿って配置されている。第１、第２磁場変化手段３１、３２は中間筒８の外周に配置され、第１磁場変化手段３１は中間筒８の上端部に、また第２磁場変化手段３２はその下端部にそれぞれ配置される。第３、第４磁場変化手段３３、３４は、第１、第２磁場変化手段３１、３２の外側に配置され、第３磁場変化手段３３は内周筒３の上端部の外周に、また第４磁場変化手段３４は内周筒３の下端部の外周にそれぞれ配置される。
【００１８】
第１から第４磁場変化手段３１、３２、３３、３４は、それぞれ共通軸線Ｌ−Ｌの周りに配置された複数個の突出磁極により構成される。第１磁場変化手段３１は、中間筒８の外周に配置された内周磁極１１ａと、この内周磁極１１ａの外周にあって第１外周筒１２ａの内周に配置された外周磁極１４ａとによって構成される。これらの磁極１１ａ、１４ａは、共通軸線Ｌ−Ｌの方向にはほぼ同じ位置にあり、共通軸線Ｌ−Ｌを中心とする半径方向に空隙を介して互いに対向し、それらの対向状態の変化に応じて間隙を通る磁束を変化させる。第２磁場変化手段３２は、中間筒８の外周に配置された内周磁極１１ｂと、この内周磁極１１ｂの外周にあって第２外周筒１２ｂの内周に配置された外周磁極１４ｂとによって構成される。これらの磁極１１ｂ、１４ｂも、共通軸線Ｌ−Ｌの方向にはほぼ同じ位置にあり、共通軸線Ｌ−Ｌを中心とする半径方向に空隙を介して互いに対向し、それらの対向状態の変化に応じて間隙を通る磁束を変化させる。
【００１９】
第３磁場変化手段３３は、内周筒３の上端部に嵌め込まれたリング状鉄心９の外周に配置された内周磁極１１ｃと、この内周磁極１１ｃの外周にあって第１外周筒１２ａの内周に配置された外周磁極１４ｃとによって構成される。これらの磁極１１ｃ、１４ｃは、共通軸線Ｌ−Ｌの方向にはほぼ同じ位置にあり、共通軸線Ｌ−Ｌを中心とする半径方向に空隙を介して互いに対向し、それらの対向状態の変化に応じて間隙を通る磁束を変化させる。第４磁場変化手段３４は、内周筒３の下端部に嵌め込まれたリング状鉄心１０の外周に配置された内周磁極１１ｄと、この内周磁極１１ｄの外周にあって第２外周筒１２ｂの内周に配置された外周磁極１４ｄとによって構成される。これらの磁極１１ｄ、１４ｄも、共通軸線Ｌ−Ｌの方向にはほぼ同じ位置にあり、共通軸線Ｌ−Ｌを中心とする半径方向に空隙を介して互いに対向し、それらの対向状態の変化に応じて間隙を通る磁束を変化させる。
【００２０】
中間筒８の外周に配置された内周磁極１１ａ、１１ｂと、リング状鉄心９、１０の外周に配置された内周磁極１１ｃ、１１ｄは、共通軸線Ｌ−Ｌの周りに互いに同じ位相で配置された複数の突出磁極を有する。具体的には、これらの内周磁極１１ａから１１ｄは、それぞれ４０度の角度間隔で配置された９個の突出磁極を持つが、各内周磁極１１ａから１１ｄのすべてについて、これらの９個の突出磁極は、共通軸線Ｌ−Ｌの周りの内周磁極基準位置から、例えば０度、４０度、８０度、１２０度、１６０度、２００度、２４０度、２８０度、３２０度の角度位置に、互いに同じ位相で配置される。図１（ａ）では、これらの内周磁極１１ａから１１ｄの突極が、共通軸線Ｌ−Ｌの方向にすべて互いに重なった状態で、実線で示される。
【００２１】
外周筒１２の内周に配置された外周磁極１４ａから１４ｄの内、第１磁場変化手段３１の外周磁極１４ａと、第４磁場変化手段３４の外周磁極１４ｄは、共通軸線Ｌ−Ｌの周りに互いに同じ位相で配置された複数の磁極を有する。具体的には、これらの外周磁極１４ａ、１４ｄもそれぞれ４０度の角度間隔で配置された９個の突出磁極を持つが、外周磁極１４ａ、１４ｄについて、これらの９個の突出磁極は、共通軸線Ｌ−Ｌの周りの外周磁極基準位置から、０度、４０度、８０度、１２０度、１６０度、２００度、２４０度、２８０度、３２０度の角度位置に、互いに同じ位相で配置される。図１（ａ）では、これらの外周磁極１４ａ、１４ｄの突出磁極が、共通軸線Ｌ−Ｌの方向にすべて互いに重なった状態で、実線で示される。
【００２２】
外周筒１２の内周に配置された外周磁極１４ａから１４ｄの内、第２磁場変化手段３２の外周磁極１４ｂと、第３磁場変化手段３３の外周磁極１４ｃは、共通軸線Ｌ−Ｌの周りに互いに同じ位相で配置された複数の磁極を有する。具体的には、これらの外周磁極１４ｂ、１４ｃもそれぞれ４０度の角度間隔で配置された９個の突出磁極を持つが、磁極１４ｂと磁極１４ｃについて、これらの９個の突出磁極は、共通軸線Ｌ−Ｌの周りの前記外周磁極基準位置から、磁極１１ａから１１ｄとちょうど逆位相で、２０度、６０度、１００度、１４０度、１８０度、２２０度、２６０度、３００度、３４０度の角度位置に、互いに同じ位相で配置される。図１（ａ）では、これらの外周磁極１４ｂ、１４ｃの突出磁極が、共通軸線Ｌ−Ｌの方向にすべて互いに重なった状態で、点線で示される。
【００２３】
磁気センサ１５は、例えばホール素子であり、それを通る磁束の方向と大きさに応じた出力信号を発生する。この磁気センサ１５には、第１外周筒１２ａと第２外周筒１２ｂとの間に共通軸線Ｌ−Ｌに沿って流れる検出磁束が流れる。磁気センサ１５の出力信号の極性は、磁気センサ１５を通る検出磁束の方向に応じて、正極性と負極性の極性の反転する出力信号となり、またこの出力信号の大きさは、磁気センサ１５を通る検出磁束の大きさに比例する。
【００２４】
なお、図１（ａ）では、図面を見やすくするために、第１、第２回転軸１、２と、内周筒３と、トーションバー５と、ベース板４が省略されている。
【００２５】
さて、図３は実施の形態１のトルクセンサの原点位置を示し、図３（ａ）はこの原点位置における図１（ａ）と同様な正面図、図３（ｂ）は同じく原点位置における図１（ｂ）と同様な断面図である。この図３の原点位置では、第１、第２、第３、第４磁場変化手段３１、３２、３３、３４において、磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが、図３（ａ）に示すように、共通軸線Ｌ−Ｌの周りの周方向に沿って、実線で示す磁極１４ａ、１４ｄの重なる角度位置θａと、点線で示す磁極１４ｂ、１４ｃの重なる角度位置θｂとのちょうど中間の角度位置に位置する。
【００２６】
この図３（ａ）に示す原点位置では、図３（ｂ）に示す磁束１６ａと磁束１６ｂとが流れる。磁束１６ａは図３（ｂ）に示すように、中間筒８から第１磁場変化手段３１の磁極１１ａ、１４ａを通り、第１外周筒１２ａに至り、この第１外周筒１２ａから第３磁場変化手段３３の磁極１４ｃ、１１ｃを通り、リング状鉄心９を経て内周筒３に流れる。また、磁束１６ｂは図３（ｂ）に示すように、中間筒８から第２磁場変化手段３２の磁極１１ｂ、１４ｂを通り、第２外周筒１２ｂに至り、この第２外周筒１２ｂから第４磁場変化手段３４の磁極１４ｄ、１１ｄを通り、リング状鉄心１０を経て内周筒３に流れる。磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが、図３（ａ）に示すように、共通軸線Ｌ−Ｌの周りの周方向に沿って、磁極１４ａ、１４ｄの重なる角度位置θａと、磁極１４ｂ、１４ｃの重なる角度位置θｂとのちょうど中間の角度位置に位置するので、磁束１６ａと磁束１６ｂの流れる磁路の磁気抵抗は互いにほぼ等しく、したがって磁束１６ａ、１６ｂの大きさは互いにほぼ等しい。このため、第１外周筒１２ａと第２外周筒１２ｂの間を磁気センサ１５を通って流れる磁束の大きさはほぼ０となり、磁気センサ１５の信号出力も０となる。
【００２７】
図４は図３の原点位置から第１回転軸１が第２回転軸２に対して相対的に反時計方向に回転し、磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが、磁極１４ａ、１４ｄの重なる角度位置θａに近い回転角度まで変位した第１トルク範囲を示す。この第１トルク範囲では、磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが、磁極１４ｂ、１４ｃの重なる角度位置θｂから遠ざかり、磁極１４ａ、１４ｄの重なる角度位置θａに近づいた範囲にある。図４（ａ）はこの第１トルク範囲における図１（ａ）と同様な正面図、図３（ｂ）は同じく第１トルク範囲における図１（ｂ）と同様な断面図である。
【００２８】
この図４に示す第１トルク範囲では、第１磁場変化手段３１の磁極１１ａ、１４ａと、第４磁場変化手段３４の磁極１１ｄ、１４ｄの対向面積が増加するために、これらの第１、第４磁場変化手段３１、３４を通る磁束の大きさが増大し、逆に第２磁場変化手段３２の磁極１１ｂ、１４ｂと、第３磁場変化手段３３の磁極１１ｃ、１４ｃの対向面積が減少するために、これらの第２、第３磁場変化手段３２、３３を通る磁束の大きさが減少する。このため、図４に示した第１トルク範囲では、図４（ｂ）に示すように、磁束１６ａ、１６ｂが減少し、新たに第１検出磁束１６ｃが流れる。この第１検出磁束１６ｃは、中間筒８から第１磁場変化手段３１の磁極１１ａ、１４ａを通り第１外周筒１２ａに至り、この第１外周筒１２ａから共通軸線Ｌ−Ｌに沿って磁気センサ１５を通り、第２外周筒１２ｂに至り、リング状鉄心１０を経由して内周筒３に至る。磁気センサ１５は、この共通軸線Ｌ−Ｌに沿って流れる第１検出磁束１６ｃに基づき、図２において、第１外周筒１２ａから第２外周筒１２ｂに向かって流れる磁束を検出し、例えば正極性の信号出力を発生する。この正極性の信号出力は、第１トルク範囲、すなわち第１、第４磁場変化手段３１、３４を通る磁束が増大し、第２、第３磁場変化手段３２、３３を通る磁束が減少する範囲で得られ、その出力信号の大きさはこの第１トルク範囲において、第１、第２回転軸１、２間に与えられる捩りトルクの増大に応じて増大する。
【００２９】
図３に示す原点位置から、第１回転軸１が第２回転軸２に対して相対的に、図４に示す第１トルク範囲とは逆方向に、時計方向に回転し、磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが、磁極１４ｂ、１４ｃの重なる角度位置θｂに近い角度位置まで変位した第２トルク範囲では、第１、第２回転軸１、２間に与えられる捩りトルクが、第１トルク範囲に対して逆方向となる。この第２トルク範囲では、磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが、図３に示す原点位置よりも、磁極１４ａ、１４ｄの重なる角度位置θａから遠ざかり、磁極１４ｂ、１４ｃの重なる角度位置θｂに近づいた状態にある。
【００３０】
この第２トルク範囲では、第２磁場変化手段３２の磁極１１ｂ、１４ｂと、第３磁場変化手段３３の磁極１１ｃ、１４ｃとの対向面積が増加するために、これらの第２、第３磁場変化手段３２、３３を通る磁束の大きさが増大し、逆に第１磁場変化手段３１の磁極１１ａ、１４ａと、第４磁場変化手段３４の磁極１１ｄ、１４ｄの対向面積が減少するために、これらの第１、第４磁場変化手段３１、３４を通る磁束の大きさが減少する。このため、第２トルク範囲では、磁束１６ａ、１６ｂが減少し、新たに第２検出磁束が流れる。この第２トルク範囲における第２検出磁束は、中間筒８から第２磁場変化手段３２の磁極１１ｂ、１４ｂを通り第２外周筒１２ｂに至り、この第２外周筒１２ｂから共通軸線Ｌ−Ｌに沿って磁気センサ１５を通り、第１外周筒１２ａに至り、リング状鉄心９を経由して内周筒３に至る。磁気センサ１５は、この第２検出磁束に基づき、図２において、第２外周筒１２ｂから第１外周筒１２ａに向かって流れる磁束を検出し、例えば負極性の信号出力を発生する。この負極性の信号出力は、第２トルク範囲、すなわち第２、第３磁場変化手段３２、３３を通る磁束が増大し、第１、第４磁場変化手段３１、３４を通る磁束が減少する範囲で得られ、その出力信号の大きさはこの第２トルク範囲において、第１、第２回転軸１、２間に与えられる逆方向の捩りトルクの減少に応じて増大する。
【００３１】
トルクセンサでは、回転軸１、２の間に、例えば±１０度、言い換えれば２０度の相対回転が生じるようにして、その角度範囲における捩りトルクの変化、すなわち回転軸１、２間の相対回転を検出する。この２０度の相対回転範囲を検出範囲と呼ぶと、実施の形態１では、この検出範囲はその中間に図３に示す原点位置が対応し、前記第２トルク範囲で磁気センサ１５の出力信号が、負極性の最大値となる第１角度位置から、第１トルク範囲で磁気センサ１５の出力信号が正極性の最大値となる第２角度位置までほぼ直線的に変化するように設定される。具体的には、実施の形態１では、角度位置θａ、θｂの間の角度が２０度であり、その中間に原点位置が設定されるので、検出範囲は、原点位置から角度位置θｂ側へ１０度近づいた第１角度位置と、原点位置から角度位置θａ側へ１０度近づいた第２角度位置との間に設定される。第１角度位置は、第２トルク範囲にあり、磁気センサ１５の出力信号は、この第１角度位置で負極性の最大値となる。第２角度位置は第１トルク範囲にあり、磁気センサ１５の出力信号は、第２角度位置で正極性の最大値となる。
【００３２】
このようにして、実施の形態１では、検出範囲において、与えられる捩りトルクの増大に伴ない、極性が反転し、大きさがほぼ直線的に増大する出力信号が磁気センサ１５から得られ、結果としてバイポーラ出力のトルクセンサを実現できる。このバイポーラ出力のトルクセンサは、極性の反転する原点位置を有し、この原点位置でのセンサ出力値のばらつき、校正が容易である。
【００３３】
さて、製造誤差によって第１回転軸１と第２回転軸２とがずれた場合について述べる。図５は内周磁極１１ａと外周磁極１４ａを含む共通軸線に垂直な断面図であり、第１回転軸１が第２回転軸２に対して紙面の上側に平行にずれた場合、すなわち偏心した状態を示している。この断面において９個の内周磁極１１ａから９個の外周磁極１４ａに半径方向に磁束１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ、１６ｊ、１６ｋ、１６ｌが流れる。このとき内周磁極１１ａと外周磁極１４ａの間の空隙長にはばらつきがあるため、それぞれの磁気抵抗も異なる。したがって永久磁石６の起磁力による半径方向の磁束にはばらつきが生じ、例えば空隙長が小さい部分の磁束１６ｄ、１６ｅは大きく、空隙長が大きい部分の磁束１６ｈ、１６ｉは小さくなる。しかしながら磁気センサ１５を共通軸線Ｌ−Ｌに沿って軸方向に通る磁束は、これらの磁束１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ、１６ｊ、１６ｋ、１６ｌのすべての総和に依存するため、第１回転軸１と第２回転軸２との偏心による影響は小さくなる。
【００３４】
図６は第１回転軸１と第２回転軸２とが傾いた状態での共通軸線Ｌ−Ｌを含む平面における断面図の一部を示している。リング状永久磁石６の磁極は外周がＮ極、内周がＳ極であるので、磁束の方向は図６に示す磁束１６ｍ、１６ｎ、１６ｏ、１６ｐ、１６ｐ、１６ｑ、１６ｒ、１６ｓ、１６ｔのようになる。図６のように軸が傾いた状態では、空隙長の小さい部分の磁束１６ｍ、１６ｔが最も大きく、空隙長の大きい部分の磁束１６ｐ、１６ｑが最も小さくなる。しかしながら磁気センサ１５を共通軸線Ｌ−Ｌに沿って軸方向に通る磁束は、これらの磁束１６ｍ、１６ｎ、１６ｑ、１６ｒの総和と、磁束１６ｏ、１６ｐ、１６ｓ、１６ｔの総和との差に依存するため、第１回転軸１と第２回転軸２の傾きの影響は小さくなる。
【００３５】
このように、実施の形態１のトルクセンサは、共通軸線Ｌ−Ｌ上に第１回転軸１と第２回転軸２を配置し、これらの第１回転軸１と第２回転軸２とをトーションバー５により結合し、前記第１回転軸１と第２回転軸２との間に与えられる捩りトルクを検出するトルクセンサであって、共通軸線Ｌ−Ｌの径方向に磁場を発生する磁場発生手段６と、前記第１回転軸１と第２回転軸２との相対回転に応じて前記磁場発生手段６から前記共通軸線に沿って流れる検出磁束の方向と大きさを変化させる磁場変化手段３０と、前記検出磁束を検出する磁気センサ１５とを備え、前記磁気センサ１５が、前記検出磁束の方向に応じて極性が変化し、また前記検出磁束の大きさに応じて大きさが変化する出力信号を発生することを特徴とする。この特徴に基づき、磁気センサ１５の出力信号の極性が反転するバイポーラ出力信号を得ることができ、このトルクセンサによれば、極性の反転位置での信号のばらつき、誤差を容易に補正することができる。また、製造誤差によって第１回転軸１と第２回転軸の中心軸がずれて偏心状態にある場合、または第１回転軸１と第２回転軸２の中心軸が斜めにずれている場合でも、磁気センサ１５を通る検出磁束に実質的な変化を与えるのを少なくし、製造誤差の影響の小さいトルクセンサが実現できる。
【００３６】
なお、内周筒３のかわりに中実軸を用い、トーションバー５は回転軸１、２を連結するように別の位置に設置することもできる。また非磁性体のスぺーサリング７、非磁性の連結体１３の材料は、磁場発生手段である永久磁石６や磁性体が設置できれば、アルミニウムや樹脂材料など、何を用いてもよい。また内周磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄおよび外周磁極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのかわりに、中間筒８の外周面および外周筒１２ａ、１２ｂの内周面に切り欠きまたは穴を設けるなど、磁気抵抗が変化するようにするだけでもよい。
【００３７】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２によるトルクセンサを示す断面図である。この図７は、実施の形態２について、図１（ｂ）と同様な共通軸線を含む平面による断面図を示す。この実施の形態２では、径方向に着磁されたラジアル配向の２つのリング状の永久磁石６が使用され、これらの２つの永久磁石６が内周磁極１１ａ、１１ｂと、内周筒３との間に配置される。その他の構成は実施の形態１と同じであり、この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様な作用、効果を奏する。
なお、実施の形態２における２つの永久磁石６は、磁束が半径方向に出るような構造であればよい。また図７に示す2個の永久磁石６をまとめて、1個の筒状の永久磁石としてもよい。
【００３８】
実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３によるトルクセンサを示す断面図である。この図８は、実施の形態３について、共通軸線Ｌ−Ｌに直交する平面による断面図を示す。この実施の形態３では、実施の形態１における、ラジアル配向のリング状の永久磁石６に代わって、複数の板状あるいは円弧板状の永久磁石板１７を用いるもので、具体的には、内周磁極１１ａ、１１ｂの内周位置にそれぞれ９個の径方向に着磁された永久磁石板１７を配置する。これらの永久磁石１７は、鉄などの磁性材料で構成された中間筒８の内部に配置される。その他の構成は、実施の形態１と同じである。
【００３９】
この実施の形態３でも、各永久磁石板１７による磁束は、この図８の断面では半径方向になるので、実施の形態１と同様の効果が得られる。また実施の形態３では、９個の永久磁石板１７を用いているが、中間筒８によって磁束が広がるため、永久磁石板１７の個数はより少なくてもよい。
このように、複数の板状あるいは円弧板状の永久磁石板１７を用いることで、低コストのトルクセンサが実現できる。
【００４０】
実施の形態４．
この発明のトルクセンサでは、第１回転軸１と第２回転軸２の相対回転によって、共通軸線Ｌ−Ｌに沿って流れる検出磁束の方向と大きさが変化する。共通軸線Ｌ−Ｌの方向に流れる検出磁束の方向と大きさを変化する磁場変化手段３０として、実施の形態１では、内周磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと外周磁極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを採用したが、他の磁場変化手段であってもよい。
図９はこの発明の実施の形態４によるトルクセンサを示す正面図と断面図である。図９（ａ）は、図１（ａ）と同様な共通軸線Ｌ−Ｌの方向の正面図であり、図９（ｂ）は共通軸線Ｌ−Ｌを含む平面での図１（ｂ）と同様な断面図の一部を示し、また図９（ｃ）は内周磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、傾斜磁極板１８ａ、１８ｂとの関係を示す図で、磁極１１ａから１１ｄと傾斜磁極板１８ａ、１８ｂを共通軸線Ｌ−Ｌに平行な面への投影した図を示している。
【００４１】
図９の実施の形態４では、中間筒８の内周に５個の板状または円弧板状の永久磁石１７を用いて半径方向に起磁力を発生する。この実施の形態４では、４つの磁場変化手段３１、３２、３３、３４の内周磁極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのそれぞれは、７２度の角度間隔で互いに同相に配置された５個の突出磁極により構成され、またこの実施の形態４では、実施の形態１の外周磁極１４ａ、１４ｃに代わって、５個の第１傾斜磁極板１８ａが使用され、また外周磁極１４ｂ、１４ｄに変わって５個の第２傾斜磁極板１８ｂが使用される。
【００４２】
５個の第１傾斜磁極板１８ａは、共通軸線Ｌ−Ｌの周りの同一円周上に円周方向に並べて配置され、それぞれ第１外周筒１２ａの内周面を５等分した７２度の角度範囲内に配置される。この５個の第１傾斜磁極板１８ａは、７２度の角度間隔で配置された内周磁極１１ａ、１１ｃのそれぞれの突出磁極と対応する。この各第１傾斜磁極板１８ａは、７２度の角度範囲において、図９（ｃ）に示すように、共通軸線Ｌ−Ｌに対して所定角度αだけ傾斜した方向に延長されており、内周磁極１１ａ、１１ｃの突出磁極と対向する。この第１傾斜磁極板１８ａが共通軸線Ｌ−Ｌの周りを回転すると、内周磁極１１ａ、１１ｃの突出磁極との対向面積が変化する。
【００４３】
５個の第２傾斜磁極板１８ｂは、共通軸線Ｌ−Ｌの周りの同一円周上に円周方向に並べて配置され、それぞれ第２外周筒１２ｂの内周面を５等分した７２度の角度範囲内に配置される。この５個の傾斜磁極板１８ｂは、７２度の角度間隔で配置された内周磁極１１ｂ、１１ｄのそれぞれの突出磁極と対応する。この各第２傾斜磁極板１８ｂは、７２度の角度範囲において、図９（ｃ）に示すように、共通軸線Ｌ−Ｌに対して所定角度αだけ傾斜した方向に延長されており、内周磁極１１ｂ、１１ｄの突出磁極と対向する。この第２傾斜磁極板１８ｂも共通軸線Ｌ−Ｌの周りで回転すると、内周磁極１１ｂ、１１ｄの突出磁極との対向面積が変化する。
【００４４】
例えば図９（ｃ）の状態では、第１、第２傾斜磁極板１８ａ、１８ｂが内周磁極１１ａ、１１ｄと向かい合う面積は大きく、また内周磁極１１ｂ、１１ｃと向かい合う面積は小さい。したがって、第１傾斜磁極板１８ａと内周磁極１１ａとの間の磁気抵抗、および第２傾斜磁極板１８ｂと内周磁極１１ｄとの間の磁気抵抗は小さく、逆に第１傾斜磁極板１８ａと内周磁極１１ｃとの間の磁気抵抗、および第２傾斜磁極板１８ｂと内周磁極１１ｄとの間の磁気抵抗は大きくなる。このとき、主な磁束は図９（ｂ）に示す磁束１６ａ、１６ｂ、１６ｃのようになり、磁気センサ１５を共通軸線Ｌ−Ｌに沿って軸方向に流れる検出磁束１６ｃが存在する。この検出磁束１６ｃは、中間筒８から磁極１１ａ、第１傾斜磁極板１８ａを経て、第１外周筒１２ａに至り、この第１外周筒１２ａから共通軸線Ｌ−Ｌに沿って磁気センサ１５を通り、第２外周筒１２ｂ、第２傾斜磁極板１８ｂ、内周磁極１１ｄを経て、中間筒８に至る磁束となり、磁気センサ１５に対して、第１外周筒１２ａから第２外周筒１２ｂの方向に流れる。この検出磁束１６ｃの大きさは、回転軸１、２の相対回転角度、すなわち第１、第２傾斜磁極板１８ａ、１８ｂと内周磁極１１ａから１１ｄとの相対回転角度に比例する。
【００４５】
第１、第２傾斜磁極板１８ａ、１８ｂがさらに回転して、第１、第２傾斜磁極板１８ａ、１８ｂが内周磁極１１ａ、１１ｄと向かい合う面積が減少し、逆に第１、第２傾斜磁極板１８ａ、１８ｂが内周磁極１１ｂ、１１ｃと向かい合う面積が増大した場合には、第２外周筒１２ｂから第１外周筒１２ａに向かって検出磁束が共通軸線Ｌ−Ｌに沿って軸方向に流れることになり、磁気センサ１５に流れる検出磁束の方向が反転する。このため、第１、第２傾斜磁極板１８ａ、１８ｂの回転に伴ない、検出磁束の方向が反転するので、磁気センサ１５の出力信号の極性が反転する。この極性反転後の検出磁束の大きさも、回転軸１、２の相対回転角度、すなわち第１、第２傾斜磁極板１８ａ、１８ｂと内周磁極１１ａから１１ｄとの相対回転角度に比例する。
【００４６】
このように、実施の形態４では、傾斜磁極板１８ａ、１８ｂを用いることにより、第１回転軸１と第２回転軸２との相対回転角度に応じて、傾斜磁極板１８ａ、１８ｂと、内周磁極１１ａから１１ｄとの向かい合う面積が変わり、磁気センサ１５の出力信号の極性を反転しながらトルクが検出できる。なお、傾斜磁極板１８ａ、１８ｂは、それぞれ一枚の板で構成しても、また複数の磁性薄板の位置をずらして階段状の傾斜磁極板として構成することもできる。
【００４７】
実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５によるトルクセンサを示す断面図と側面図である。図１０（ａ）は図１（ｂ）と同様に共通軸線を含む平面による断面図であり、図１０（ｂ）は図２と同様の側面図である。この実施の形態５において、第１回転軸１側の第１外周筒１２ａと第２回転軸２側の第２外周筒１２ｂは、非磁性の連結体１３で連結される。この連結体１３は、円筒状に構成されていて、図１０（ａ）に示すように外周筒１２ａ、１２ｂを、それらの相対向する端部の内周面側で互いに連結している。第２回転軸２が回転すると、外周筒１２ａ、１２ｂは連結体１３と一体となって回転する。
【００４８】
第１外周筒１２ａと第２外周筒１２ｂとの間の連結体１３の外周には、磁気センサ１５が設置される。この磁気センサ１５の両側には、鉄材などの磁性材料で構成された固定磁極１９ａ、１９ｂが配置される。これらの固定磁極１９ａ、１９ｂは、外周筒１２ａ、１２ｂに接触しないように、外周筒１２ａ、１２ｂに小さな空隙長を介して対向している。これらの固定磁極１９ａ、１９ｂおよび磁気センサ１５は、動かない絶対空間に対して固定される。その他の構成は、実施の形態１と同じである。
【００４９】
この実施の形態５では、固定磁極１９ａ、１９ｂおよび磁気センサ１５が動かない絶対空間に固定されるので、第２回転軸２が回転しても、磁気センサ１５からの検出用ケーブルはもつれず、また磁気センサ１５の耐久性も向上する。第１回転軸１と第２回転軸２の間に捩りトルクが働いて相対角度が変わると、外周筒１２ａ、１２ｂの間に検出磁束が流れるが、この検出磁束は共通軸線方向に流れ、固定磁極１９ａ、１９ｂを通り、磁気センサ１５を流れる。この磁気センサ１５を流れる検出磁束は、実施の形態１と同様に、回転軸１、２の相対回転角度に応じて方向と大きさが変わるので、実施の形態１と同様に、磁気センサ１５からバイポーラの出力信号を得ることができ、磁気センサ１５の出力値を検出することによって捩りトルクが測定できる。
【００５０】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６によるトルクセンサを示す断面図と側面図である。図１１（ａ）は図１（ｂ）と同様に共通軸線を含む平面による断面図であり、図１１（ｂ）は図２と同様の側面図である。この実施の形態６では、連結体１３は図１１（ａ）（ｂ）に示すように、外周筒１２ａ、１２ｂとほぼ同じ半径の円筒形状としている。第２回転軸２が回転すると、第１回転軸１側の第１外周筒１２ａと第２回転軸２側の第２外周筒１２ｂは、非磁性の連結体１３と一体となって回転する。
【００５１】
連結体１３の外周に磁気センサ１５が設置される。この磁気センサ１５には、鉄材などの磁性材料で構成された固定磁極１９ａ、１９ｂが付設される。固定磁極１９ａは、第１外周筒１２ａが第２外周筒１２ｂと対向する端部の外周面に小さな空隙を介して対向し、また固定磁極１９ｂは、第２外周筒１２ｂが第１外周筒１２ａと対向する端部の外周面に小さな空隙を介して対向している。これらの固定磁極１９ａ、１９ｂおよび磁気センサ１５は、動かない絶対空間に固定される。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００５２】
第１回転軸１と第２回転軸２の間に捩りトルクが働いて、それらの相対角度が変わると、外周筒１１ａ、１２ｂの間に、共通軸線方向に検出磁束が流れるが、検出磁束は固定磁極１９ａ、１９ｂを介して磁気センサ１５に流れる。この磁気センサ１５を流れる検出磁束は、実施の形態１と同様に、回転軸１、２の相対回転角度に応じて方向と大きさが変わるので、実施の形態１と同様に、磁気センサ１５からバイポーラの出力信号を得ることができ、磁気センサ１５の出力値を検出することによって捩りトルクが測定できる。
この実施の形態６でも、磁気センサ１５および固定ヨーク１９ａ、１９ｂを動かない絶対空間に対して固定することにより、第２回転軸２が回転してもセンサ検出用ケーブルはもつれず、また磁気センサ１５の耐久性も向上する。
【００５３】
実施の形態７．
図１２はこの発明の実施の形態７によるトルクセンサを示す断面図と側面図である。図１２（ａ）は図１（ｂ）と同様に共通軸線を含む平面による断面図であり、図１２（ｂ）は図２と同様の側面図である。この実施の形態７は、複数個の磁気センサを設置することを特徴とし、図１２では２個の磁気センサ１５ａ、１５ｂを設置している。その他の構成は実施の形態１と同じである。
この発明のトルクセンサを使用中に、磁気センサ１５が故障する可能性もあるため、複数個の磁気センサ１５ａ、１５ｂを用いて冗長な設計とし、安全性を向上している。磁気センサ１５ａ、１５ｂは、実施の形態１の磁気センサ１５と同様に、連結体１３に設けられた空隙部に設置される。
【００５４】
また例えば第１回転軸１側の第１外周筒１２ａと、第２回転軸２側の第２外周筒１２ｂとが傾いて設置された場合に、これらの外周筒１２ａ、１２ｂと磁気センサ１５の間の空隙長には誤差が生じるが、この実施の形態７のように複数個の磁気センサ１５ａ、１５ｂを用い、それらの出力信号の出力平均を取ることにより、製造誤差の影響を緩和できる。また感度の異なる複数個の磁気センサ１５ａと磁気センサ１５ｂを用いることにより、広い測定レンジを高感度に検出できる。
このように、複数個の磁気センサ１５ａ、１５ｂを用いることにより、安全性を向上でき、製造誤差の影響を緩和でき、広い測定レンジを高感度に検出できる。
【００５５】
実施の形態８．
図１３はこの発明の実施の形態８によるトルクセンサを示す側面図である。第１回転軸１側の第１外周筒１２ａと第２回転軸２側の第２外周筒１２ｂは、非磁性体の連結体１３で連結され、一体となって回転する。また複数個の磁気センサ１５ａ、１５ｂが設置され、磁気センサ１５ａは固定磁極１９ａ、１９ｂとともに動かない絶対空間に対して固定され、また磁気センサ１５ｂは固定磁極１９ｃ、１９ｄとともに動かない絶対空間に対して固定される。
【００５６】
第１外周筒１２ａの連結体１３側の端面２２には、図１３に示すように凹凸形状２３が形成されている。この凹凸形状２３は端面２２の周方向に、所定間隔で形成された凹部分と凸部分を交互に持っており、各凹部分と凸部分の高さはすべて均一とされる。磁気センサ１５ａの固定磁極１９ａと磁気センサ１５ｂの固定磁極１９ｃは、この凹凸形状２３と小さな空隙を介して対向するが、これらの対向状態は凹凸形状２３に対して互いに逆位相となるように設置される。具体的には、磁気センサ１５ａの固定磁極１９ａが凹凸形状２３の凸部分と対向するときに、磁気センサ１５ｂの固定磁極１９ｃはその凹部分に対向するように設置される。磁気センサ１５ａの固定磁極１９ａが凹凸形状の凹部分と対向するときには、磁気センサ１５ｂの固定磁極１９ｃはその凸部分に対向する。図１３では、磁気センサ１５ａの固定磁極１９ａが、凹凸形状の凸部分に、また磁気センサ１５ｂの固定磁極１９ｃが、その凹部分に対向する状態を示している。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００５７】
図１４はこの実施の形態８によるトルクセンサを回転させながらトルクを大きくした場合のセンサ出力波形を示している。図１４の横軸は時間であり、その縦軸は磁気センサの出力信号である。磁気センサ１５ａの出力波形は例えば実線の波形２０ａのように、時間の経過とともに正弦波または正弦波の近い変化をするが、その平均的な大きさはトルクの増大に伴ない増大している。このトルクの増大は、実施の形態１で説明した角度位置θａ、θｂの間の検出範囲において、トルクの増大に伴ない、磁気センサ１５ａを通る検出磁束の大きさが直線的に増大することに依存している。出力波形２０ａの正弦波状の変化は、磁気センサ１５ａの固定磁極１９ａと、第１外周筒１２ａの凹凸形状の対向部分の変化に依存しており、第１外周筒１２ａの回転に伴ない、固定磁極１９ａが凹凸形状との対向部分を順次変化する結果、正弦波状の変化が現われる。
【００５８】
これに対して磁気センサ１５ｂの出力波形は点線の波形２０ｂのようになる。この磁気センサ１５ｂの出力波形２０ｂは、固定磁極１９ｃと固定磁極１９ａの凹凸形状に対する対向位相が互いに逆位相となっているため、磁気センサ１５ａの出力波形２０ａと逆位相の正弦波となっている。この磁気センサ１５ｂの出力波形２０ｂも、磁気センサ１５ａの出力波形２０ａと同様に、その平均的な大きさがトルクの増大に伴ない増大しているが、このトルクの増大は、実施の形態１で説明した角度位置θａ、θｂの間の検出範囲において、トルクの増大に伴ない、磁気センサ１５ａを通る検出磁束の大きさが直線的に増大することに依存している。
【００５９】
図１４の一点鎖線の波形２０ｃは、磁気センサ１５ａの出力波形２０ａと磁気センサ１５ｂの出力波形２０ｂの加算平均を示している。出力波形２０ａ、２０ｂは、結果としてこの波形２０ｃに沿って、トルクの増大に伴ない、増大している。この波形２０ｃでは、第１外周筒１２ａの端面２２の凹凸形状２３の影響で生じる回転時の正弦波状変動成分は、磁気センサ１５ａの出力波形２０ａと磁気センサ１５ｂの出力波形２０ｂとが逆相であるので打ち消される。したがって磁気センサ１５ａの出力波形２０ａと磁気センサ１５ｂの出力波形２０ｂの加算平均として得られる一点鎖線の波形２０ｃは、第１外周筒１２ａの端面２２の凹凸形状２３の影響を受けず、回転軸１、２の間に働く捩りトルクの大きさの変化を表わす。この波形２０ｃに基づき、回転軸１、２に与えられる捩りトルクを検出することができる。
【００６０】
図１４の二点鎖線の波形２０ｄは、磁気センサ１５ａの出力波形２０ａと磁気センサ１５ｂの出力波形２０ｂの差の１／２の大きさを表わし、これは横軸に沿って正弦波状に変化している。第１回転軸１と第２回転軸２との間に働くトルクの大きさは、磁気センサ１５ａの出力と磁気センサ１５ｂの出力の両方に影響するため、これらの差を取ることにより、トルク成分が除去される。一方、第１回転軸１側の第１外周筒１２ａの端面２２の凹凸形状２３の影響で生じる回転時の変動成分は、磁気センサ１５ａの出力波形２０ａと磁気センサ１５ｂの出力波形２０ｂでは互いに逆相であるので、それらの差を取ることで第１外周筒１２ａの端面２２の凹凸形状２３の影響はこの波形２０ｄに残り、この波形２０ｄに基づき、第１外周筒１２ａの回転角度が検出できる。
【００６１】
なお、図１３に示す実施の形態８では、第１外周筒１２ａの端面２２における凹凸形状２３の高さは、その端面２２の周方向においてすべて均一としたが、これらの高さを周方向に変えることで、絶対角度を検出することも可能である。また磁気センサを３個以上用い、第１外周筒１２ａの端面２２の凹凸形状２３も多段としてもよい。また第２外周筒１２ｂが第１外周筒１２ａと対向する端面に凹凸形状２３を形成してもよい。さらに外周筒１２ａ、１２ｂと固定磁極１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄの間の磁気抵抗が変化する方式であれば、凹凸形状２３以外の手段でもよい。また凹凸形状２３は外周筒１２ａ、１２ｂの端面ではなく、その周面、例えばその外周面に形成してもよい。
【００６２】
この実施の形態８では２個の磁気センサ１５ａ、１５ｂを用いて、それらの出力信号の和、差を求めているが、一方の磁気センサが故障したときは、他方の磁気センサの検出信号を用いることにより、性能は少し劣るがトルクセンサとして使用することができるため、トルクセンサとしても冗長な設計となる。
【００６３】
このように、第１、第２外周筒１２ａ、１２ｂに凹凸形状２３などの磁気抵抗変化部分を形成することによって、トルク検出の他に回転角度も検出することができる。複数個の磁気センサを用いてそれらが凹凸形状２３と向かい合う位相を逆相にし、複数の磁気センサの出力信号の和あるいは差を取ることによって、トルクおよび回転角度の両方を検出するセンサが低コストで実現できる。
【００６４】
実施の形態９．
図１５はこの発明の実施の形態９によるトルクセンサを示す側面図である。第１外周筒１２ａの第１回転軸１側の端面には、周方向に凹凸形状２４が形成され、この凹凸形状２４に対向する回転角度検出手段２１を用いて回転角度を検出している。この回転角度検出手段２１は、例えば渦電流式の変位センサなどである。その他の構成は実施の形態５と同じである。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
この発明によるトルクセンサは、例えば自動車の操作ハンドルのステアリングトルクを検出するのに使用されるが、トルクを検出する用途であれば、他の用途にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】この発明によるトルクセンサの実施の形態１を示し、図１（ａ）はその一部の部品を省略した正面図、図１（ｂ）はその共通軸線を含む平面における断面図である。
【図２】実施の形態１のトルクセンサの側面図である。
【図３】実施の形態１のトルクセンサの原点位置における状態を示し、図３（ａ）はその一部の部品を省略した正面図、図３（ｂ）はその共通軸線を含む平面における断面図である。
【図４】実施の形態１の第１トルク範囲における状態を示し、図４（ａ）はその一部の部品を省略した正面図、図４（ｂ）はその共通軸線を含む平面における断面図である。
【図５】実施の形態１のトルクセンサにおいて、第１、第２回転軸の軸線がずれた場合の磁束の流れを示す正面図である。
【図６】実施の形態１のトルクセンサにおいて、第１、第２回転軸が傾いた場合の磁束の流れを示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるトルクセンサを、その共通軸線を含む平面で断面した断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３によるトルクセンサを、その一部の部品を省略して示す正面図である。
【図９】この発明によるトルクセンサの実施の形態４を示し、図９（ａ）はその一部の部品を省略した正面図、図９（ｂ）はその共通軸線を含む平面における断面図、図９（ｃ）は内周磁極と傾斜磁極板との関係を示す展開図である。
【図１０】この発明によるトルクセンサの実施の形態５を示し、図１０（ａ）はその共通軸線を含む平面における断面図、図１０（ｂ）はその側面図である。
【図１１】この発明によるトルクセンサの実施の形態６を示し、図１１（ａ）はその共通軸線を含む平面における断面図、図１１（ｂ）はその側面図である。
【図１２】この発明によるトルクセンサの実施の形態７を示し、図１２（ａ）はその共通軸線を含む平面における断面図、図１２（ｂ）はその側面図である。
【図１３】この発明によるトルクセンサの実施の形態８を示す側面図である。
【図１４】実施の形態８における磁気センサの出力波形図を示す特性図である。
【図１５】この発明によるトルクセンサの実施の形態８を示す側面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：第１回転軸、２：第２回転軸、３：内周筒、４：ベース板、５：トーションバー、
６：磁場発生手段、７：スペーサリング、８：中間筒、９、１０：リング状鉄心、
１１ａ、１１ｂ、１２ｃ、１２ｄ：内周磁極、１２、１２ａ、１２ｂ：外周筒、
１３：連結体、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ：外周磁極、
１５、１５ａ、１５ｂ：磁気センサ、１６ａ、１６ｂ：磁束、１６ｃ：検出磁束、
１６ｄ、１５ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ、１６ｊ、１６ｋ、１６ｌ：磁束、
１６ｍ、１６ｎ、１６ｏ、１６ｐ、１６ｑ、１６ｒ、１６ｓ、１６ｔ：磁束、
１７：永久磁石板、１８ａ、１８ｂ：傾斜磁極板、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ：固定磁極、
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ：波形、２１：回転角度検出手段、２２：端面、
２３、２４：凹凸形状、３０：磁場変化手段、３１：第１磁場変化手段、
３２：第２磁場変化手段、３３：第３磁場変化手段、３４：第４磁場変化手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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